01　第一批基因宇航员

“整整340天，我的皮肤与世隔绝……触到任何东西，都像碰到火一样。”

——宇航员斯科特·凯利

闪亮的显示屏上挤满了分子、基因和心电图数据，我们挤成一团，眼里充满困惑和担忧。我们简直不敢相信自己所看到的。

“这是人体内见过的最高水平吗？”塞姆·梅丹（Cem Meydan）博士问道，“他是怎么活下来的？”

2017年12月的一个夜晚，在纽约市的威尔康奈尔医学院的遗传实验室，我们刚刚完成了对斯科特·凯利（Scott Kelly）上校所有分子数据（DNA、RNA、蛋白质和小分子）的综合分析。斯科特完成了美国国家航空航天局（NASA）所发布的历时最长的太空任务——将近整整一年（连续340天）的连续太空航行。斯科特的长时间太空飞行是NASA一项独特实验的一部分，该实验被称为双胞胎研究，利用同卵双胞胎宇航员（马克·凯利和斯科特·凯利）来研究太空航行之前、太空航行过程中，以及经历长达一年的太空航行之后人体所发生的变化。这项研究由十个美国研究团队合作完成。我们的实验室主要负责对遗传、表观遗传、微生物和基因表达进行分析。我们获得了斯科特在太空航行时的完备的分子和基因数据，这些数据被用来和马克在地球上同等时长的数据做比较。我们的主要任务有以下三个：第一，评估斯科特的身体在任务期间发生了哪些变化；第二，研究这些变化对火星任务的启示；第三，寻找降低其他宇航员未来风险的办法。

显然，斯科特的身体不喜欢重返重力世界。斯科特在他的那本《耐力》中详细描述了这种不适感：“我的脚踝肿得像个篮球。”接着，他以令人惊讶的平静口吻说道，“我觉得我得进急诊室了。”

尽管他很想去急诊室，但其实他对自己身体变化的根本原因一清二楚，这是由于他刚从太空重返地球。但是，即使他明白这些，也并不能让他的免疫系统更好受。他全身都出了疹子，特别是当他的皮肤触到任何东西的时候，甚至衣服的重量被重力拉到皮肤上这样简单的事，都会让他的身体受到严重刺激并产生明显的反应。我们能够从他的血液检测分子数据中看到这种免疫反应，尤其是蛋白质和RNA（基因表达）的变化。但当我们盯着显示器时，我们感到有些奇怪：这种反应是正常的重力再适应的一部分吗？这种变化是否会影响飞往火星的计划？

“这是我见过的最高水平的炎症标记和细胞因子（*译者注：Cytokine细胞因子，是一组蛋白质及多肽，在生物中用作信号蛋白。这些类似激素或神经递质的蛋白是细胞间沟通的信号。细胞因子多是水溶性蛋白和糖蛋白，分子量小）应力，”我说，“我们对数据要做三重检查。”

我们向NASA的斯科特·史密斯（Scott Smith）博士核对了数据，史密斯博士是双胞胎研究和其他宇航员生化分析部门的负责人，他确认这些数据是准确的。他还指出：“这些数据远远超标了，是目前我们见过的最高水平。”保险起见，样品被分为一式两份，并且我们的测量结果和计算分析会放在一起相互验证。尽管炎症是人体对压力的正常反应，但斯科特重返地球后，其炎症标记上升到我们从未见过的高度（见图1.1）。

具体来说，IL-ra1是一种重要的天然消炎蛋白，其他细胞因子，如IL-6、IL-10和CRP，在宇航员返回地球后，都会飙升到峰值。CCL-2是一种细胞因子（离开细胞向其他细胞发出信号的蛋白质），可以使免疫细胞集结到受伤或感染的部位，也达到了最高水平。

图1.1　在双胞胎研究期间，研究人员将斯科特的细胞因子水平（黑色）与其留在地球上的双胞胎兄弟马克的（灰色）进行比较，发现斯科特的许多细胞因子发生了明显变化。图中虚线表示斯科特发射升空和返回地球的时刻，在整个分析过程中，它们均被归化为中值表达。在发射过程中，一些细胞因子水平升高，例如，在组织重塑中起作用的CXC基序趋化因子5（CXCL5）。其他分子水平突增主要发生在返回地球的时刻，例如，白细胞介素受体拮抗剂1（IL-ra1）和C反应蛋白（CRP），它们主要促进甲状腺激素（TSH）分泌

我们快速搜索了所有科学文献和医学期刊索引，想了解是否有人曾看到过接近这样一种峰值的情况，尤其是IL-ra1大于10000pg/uL。对于IL-ra1水平，我们找到了一篇2004年的论文（作者是Patti等人），论文的主要研究对象是一名心肌梗死（心脏病发作）患者；至于IL-10，峰值出现在刚刚从严重细菌感染（称为败血症）存活下来的患者身体中。

尽管如此，在种种不适的困扰下，重返地球的斯科特还是一头扎进了游泳池中，此后过上了正常的生活。但是，他的身体中并非只有这些（细胞因子）标记发生了巨大变化，他身体系统的组织（如血液和骨骼），甚至他的DNA和RNA也发生了改变。这是一个前所未有的机会，我们能够观察他体内几乎所有变化，例如，遗传密码的每个核苷酸到细胞反应如何在他的整个身体上表现出来，并导致表型发生怎样的改变。对于所有宇航员来说，这些体检中的大多数项目的指标都是全新的，包括太空人的第一个完整的基因图谱（基因组）和其他身体特征（见图1.2）。我们使用这些数据来研究人体内部结构在太空生存一年后到底发生了怎样的变化。

图1.2　面向宇航员与临床诊断关系的多体监测平台：重点介绍了四个监测示例，包括宇航员、癌症患者、免疫治疗患者和普通患者。每个示例都突出显示了可用于定期监视和跟踪的不同组学数据。不同组学数据之间的分子相互作用表明，需要将所有测量结果整合到一个平台中